單側(cè)斜撐式立井井架糾偏工藝研究

孔德才

（淮北礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電處，安徽省淮北市，235000）

單側(cè)斜撐式立井井架糾偏工藝研究

孔德才

（淮北礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電處，安徽省淮北市，235000）

介紹了童亭煤礦主井井架所出現(xiàn)的偏斜情況，分析了井架偏斜的原因，通過SAP2000有限元分析軟件對(duì)井架結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析后，最終采用頂升法使接近臨界應(yīng)力狀況的井架部分構(gòu)件的受力狀態(tài)得到改善，達(dá)到了井架糾偏的目的。

單側(cè)斜撐式井架 立井井架 井架沉降 糾偏工藝

1 概況

童亭煤礦位于淮北市濉溪縣境內(nèi)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬t／a，經(jīng)改擴(kuò)建后礦井生產(chǎn)能力核定為180萬t／a。主井提升機(jī)型號(hào)為JKMD2.8×4，井架為單側(cè)斜撐式立井井架。2009年2月檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)箕斗同井架鋼梁以及南側(cè)穩(wěn)罐罐道出現(xiàn)干涉現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，位于34.5 m的罐道繩固定油缸平臺(tái)向南偏移29 mm，向西偏移13 mm，井架成撓性彎曲，影響提升安全。

2 井架偏斜的原因分析

童亭煤礦主井井架發(fā)生偏斜后，經(jīng)實(shí)地勘察和分析認(rèn)為，單側(cè)斜撐支架基礎(chǔ)坐落在表土層上，由于地表水位大幅度下降，從而導(dǎo)致地表沉降，單側(cè)斜撐支架基礎(chǔ)也隨之下沉。而立井井架基礎(chǔ)為井筒鎖口，鎖口下的混凝土井壁與基本不變形的基巖直接相連，因此下沉量較小，最終導(dǎo)致立井井架和單側(cè)斜撐式支架不能同步下沉，因而導(dǎo)致立井井架整體偏斜。

3 鋼結(jié)構(gòu)模擬及應(yīng)力分析

由于井架構(gòu)件的形狀和邊界條件復(fù)雜，井架構(gòu)件的強(qiáng)度和剛度如用傳統(tǒng)的力學(xué)方法求解會(huì)產(chǎn)生較大困難，只能對(duì)井架構(gòu)件的形狀和邊界做理想化的簡化處理來求解。這種簡化處理所帶來的誤差較大，采用經(jīng)驗(yàn)或類比法設(shè)計(jì)也會(huì)造成更大的誤差，因此，選擇SAP2000有限元分析軟件對(duì)井架進(jìn)行受力分析。首先，將井架劃分為有限個(gè)規(guī)則形狀的微小塊體并把每個(gè)小塊體稱為單元，相鄰的兩個(gè)單元之間通過若干點(diǎn)互相連接，每個(gè)連接點(diǎn)做為結(jié)點(diǎn)。把作用于各單元上的外載荷按虛功原理或靜力等效原理化成各單元的等效載荷向量，用劃分后的有限個(gè)小單元的集合體和等效結(jié)點(diǎn)載荷向量的集合體代替井架。通過有限元程序?qū)茉诟鞣N情況下的變形、應(yīng)力和強(qiáng)度等進(jìn)行模擬分析來確定井架構(gòu)件的自振頻率和振型，進(jìn)而把握井架構(gòu)件的剛度特性。

3.1 井架計(jì)算機(jī)模擬測(cè)試

（1）計(jì)算依據(jù)。依據(jù) 《煤炭工業(yè)井架設(shè)計(jì)規(guī)范》和 《建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范》，根據(jù)井架圖紙及竣工資料對(duì)井架進(jìn)行參數(shù)校驗(yàn)。

（2）建模情況。采用桿系有限元建模建立井架的整體空間結(jié)構(gòu)模型，支撐桿件釋放其兩端的端彎扭，立架部分與基礎(chǔ)剛接，單側(cè)斜撐式支架與基礎(chǔ)鉸接。部分組合截面使用SAP2000有限元分析軟件的截面設(shè)計(jì)器功能實(shí)現(xiàn)，這樣可以增加計(jì)算的精度。按照規(guī)范進(jìn)行結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)分析，桿件截面形式允許是角鋼、箱形斷面及多種異型鋼面，在SAP2000有限元分析軟件的截面設(shè)計(jì)器中輸入截面的應(yīng)力值后，輸出的是結(jié)構(gòu)的位移和各桿件的內(nèi)力值。

（3）按照 《煤炭工業(yè)井架設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50385-2006）的規(guī)定進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)和正常狀態(tài)組合。載荷效應(yīng)組合的分項(xiàng)系數(shù)和組合值系數(shù)如表1所示。

表1 井架荷載效應(yīng)組合的分項(xiàng)系數(shù)和組合值系數(shù)

3.2 井架變形分析

（1）在自重和工作荷載情況下，立架頂部和單側(cè)斜撐支架頂部水平位移較大，分別為18 mm和16 mm，單側(cè)斜撐支架在最下部橫隔處水平位移達(dá)到23 mm。

（2）在事故荷載下，當(dāng)上繩斷裂時(shí)，單側(cè)斜撐支架頂部豎向變形為16 mm，立架頂部變形為18 mm，水平變形為50 mm，第一道橫隔處水平位移16 mm。當(dāng)下繩斷裂時(shí)，立架頂部變形為12 mm，水平變形為65 mm，第一道橫隔處水平位移24 mm。

（3）當(dāng)單側(cè)斜撐支架支座下沉50 mm時(shí)，整個(gè)井架結(jié)構(gòu)水平變形較大，立架頂部變形約為100 mm，單側(cè)斜撐支架頂部水平位移143 mm，第一道橫隔處變形較??；當(dāng)單側(cè)斜撐支架支座下沉100 mm時(shí)，立架頂部變形約為144 mm，單側(cè)斜撐支架頂部水平位移達(dá)到了294 mm，上天輪處水平位移為230 mm。從而可見，單側(cè)斜撐支架支座沉降引起的變形主要集中于井架結(jié)構(gòu)的頂部，并且變形值較大。當(dāng)單側(cè)斜撐支架支座下沉15 mm時(shí)，上天輪處水平位移為38 mm（適量過糾偏8～10mm）與實(shí)際情況基本相符。

3.3 井架強(qiáng)度效驗(yàn)

通過計(jì)算機(jī)軟件模擬得出，井架強(qiáng)度方面在工作荷載和事故荷載組合下立架構(gòu)架可以滿足強(qiáng)度要求，單側(cè)斜撐支架應(yīng)力小于0.7，構(gòu)架的一階振型為整體扭轉(zhuǎn)，主要表現(xiàn)為單側(cè)斜撐支架的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)帶動(dòng)整個(gè)井架的扭轉(zhuǎn)。二階振型為構(gòu)架提升工作平面內(nèi)的水平振動(dòng)。三階振型表現(xiàn)為整個(gè)構(gòu)架的扭轉(zhuǎn)，但主要是由于立架部分引起的。四階振型為整個(gè)構(gòu)架因單側(cè)斜撐支架部分的水平振動(dòng)引起的平動(dòng)。通過分析，鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力未超過臨界值，因此可以采用頂升法糾偏。

4 施工方案

4.1 主井井架沉降位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

（1）在井筒提升中線方向和垂直提升中線方向上布置16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，組成監(jiān)測(cè)主井井架水平位移的監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

（2）在主井井架沉降區(qū)域布置3組共24個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

4.2 主井井架變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

分別將主井十字中線投影到天輪平臺(tái)北端和東端，作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)記1，后期觀測(cè)皆以此標(biāo)志為標(biāo)準(zhǔn)位置，量取主井井塔在相互垂直方向上的水平位移量。

4.3 頂升施工方法

為了解決井架基礎(chǔ)的不均勻沉降問題，通過頂升單側(cè)斜撐支架工藝進(jìn)行調(diào)整，修正由于基礎(chǔ)不均勻沉降造成的提升中心線偏差。

首先，破除單側(cè)斜撐支架基礎(chǔ)的二次澆灌層，焊接千斤頂專用底座，并保證千斤頂活塞頂端平面和單側(cè)斜撐支架底部平面接觸。在井架載荷的狀態(tài)下，用4臺(tái)100 t液壓千斤頂對(duì)單側(cè)斜撐支架進(jìn)行協(xié)調(diào)升頂，同時(shí)在井架的東側(cè)和北側(cè)布置測(cè)量儀器對(duì)井架提升中心線的變化進(jìn)行觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析頂升效果，進(jìn)而調(diào)整每臺(tái)千斤頂?shù)牟僮鞣桨福?臺(tái)液壓千斤頂同時(shí)頂升單側(cè)斜撐支架底部，每次頂升量為5 mm，同時(shí)2臺(tái)經(jīng)緯儀分別讀數(shù)，最終讀取的參數(shù)如表2所示。

表2 頂升偏移量參數(shù)表

核定井架偏移量符合要求后，旋緊單側(cè)斜撐支架固定螺帽，用1∶20的楔鐵將升頂?shù)目臻g楔緊并焊接牢靠，確保升頂空間不反彈。

4.4 安全監(jiān)控

在頂升過程中，為確保井架在糾偏過程中構(gòu)件損傷和井架整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生破壞，應(yīng)該對(duì)糾偏工作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)時(shí)監(jiān)控的主要內(nèi)容包括井架主要受力部件的應(yīng)力變化、關(guān)鍵構(gòu)件的動(dòng)應(yīng)力、單側(cè)斜撐支架頂升力及頂升位移等，并根據(jù)井架受力數(shù)據(jù)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果布置測(cè)控點(diǎn)。為了將監(jiān)控結(jié)果及時(shí)反饋到糾偏過程中，并且使井架主要受力桿件的受力控制在安全的范圍內(nèi)，整個(gè)測(cè)控系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)連續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)。井架的受力情況比較復(fù)雜，有的受拉力，有的受壓力，最大的拉力應(yīng)變?yōu)?00～900με，應(yīng)力為70～90 MPa，是臨界值200.6 MPa的45%。不管井架承受的是拉力還是壓力，其受力都未達(dá)到其極限，因而在實(shí)施頂升過程中主要受力構(gòu)件是安全的。井架糾偏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)基本吻合，糾偏工作增大了井架北側(cè)豎向構(gòu)件的拉應(yīng)力，減少了北側(cè)豎向構(gòu)件的壓應(yīng)力，因而使得接近臨界應(yīng)力狀況的部分構(gòu)件的受力狀態(tài)得到了改善。整個(gè)糾偏過程從開始升頂?shù)骄芗m偏到預(yù)定位置，井架主要構(gòu)件受力和形變均在材料的彈性范圍內(nèi)，糾偏工作改善了井架主要構(gòu)件的受力狀態(tài)，不會(huì)給井架造成危害。

5 效益分析

單側(cè)斜撐式立井井架采用頂升單側(cè)斜撐支架方法進(jìn)行糾偏，實(shí)施器材費(fèi)用為2萬元，模擬軟件和專家指導(dǎo)費(fèi)用為18萬元，共計(jì)20萬元。如果使用地表注漿法進(jìn)行糾偏，僅地表沉降數(shù)據(jù)采集與分析就需用時(shí)120 d，需要資金80萬元，注漿費(fèi)用約為240萬元，共計(jì)320萬元。頂升糾偏方法工藝簡捷、成本低、精度高、效果好，不僅減少了施工周期，而且節(jié)約了工程費(fèi)用。

6 結(jié)論

（1）采用頂升工藝糾偏后，井架東西偏斜量為±0 mm，向北過頂8 mm后消除了重載時(shí)的井架彈性變形量，有效起到防止單側(cè)斜撐支架因受力形變的作用。該工藝簡捷、成本低、精度高、時(shí)間短，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）采用SAP2000有限元分析軟件對(duì)井架進(jìn)行的計(jì)算機(jī)模擬能夠準(zhǔn)確地分析和預(yù)測(cè)井架升頂后的結(jié)構(gòu)變化，為安全糾偏提供了技術(shù)支撐。

（3）單側(cè)布置的斜撐支架基礎(chǔ)和井架基礎(chǔ)易產(chǎn)生不同步下沉，致使立井井架產(chǎn)生撓性變形，而雙側(cè)斜撐式立井井架鋼度大且穩(wěn)定性好，不容易出現(xiàn)井架偏移問題，所以新井井架應(yīng)采用雙側(cè)斜撐式井架。

［1］王靜，肖興明，李占芳.新莊煤礦主井井架糾偏［J］.礦山機(jī)械，2005 （8）

［2］朱心亮，蔣劍飛，張紅星等.礦井井架偏斜分析及糾偏 ［J］.中國西部科技，2008（1）

［3］樊金志.主井提升系統(tǒng)技術(shù)改造及效益分析 ［J］.中國煤炭，2008（8）

Study on rectification technique of single-side inclined supporting headframe for vertical shaft

Kong Decai
（Electromechanical Department，Huaibei Mining（Group）Co.，Ltd.，Huaibei，Anhui 235000，China）

The inclination of main shaft headframe in Tongting Coal Mine was introduced and its reasons were analyzed.The force analysis of headframe structure was carried out using SAP2000 finite element analysis software.The lift-up method was adopted to improve the forced state of some components of headframe under near critical stress，realizing the rectification of headframe.

single-side inclined supporting headframe，vertical shaft headframe，headframe sedimentation，rectification technique

TD541

B

孔德才 （1965-），男，安徽廬江縣人，本科學(xué)歷，高級(jí)工程師，現(xiàn)任淮北礦業(yè) （集團(tuán)）有限責(zé)任公司機(jī)電處副處長，長期從事煤礦機(jī)電工作。

（責(zé)任編輯 路 強(qiáng)）